Question

14．新的研究表明二甲醚（DME）是符合中国能源结构特点的优良车用替代燃料，二甲醚催化重整制氢的反应过程，主要包括以下几个反应（以下数据为25℃、1.01×10⁵Pa测定）：
①CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）?2CH₃OH（l）△H=+24.52kJ/mol
②CH₃OH（l）+H₂O（l）?CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49.01kJ/mol
③CO（g）+H₂O（l）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.17kJ/mol
④CH₃OH（l）?CO （g）+2H₂（g）△H=+90.1kJ/mol
请回答下列问题：
（1）写出用二甲醚制H₂同时全部转化为CO₂时反应的热化学方程式CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g）△H=+122.52KJ/mol．
（2）200℃时反应③的平衡常数表达式K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$．
（3）在一常温恒容的密闭容器中，放入一定量的甲醇如④式建立平衡，以下可以作为该反应达到平衡状态的判断依据为A．
A．容器内气体密度保持不变         B．气体的平均相对分子质量保持不变
C．CO的体积分数保持不变          D．CO与H₂的物质的量之比保持1：2不变
（4）工业生产中测得不同温度下各组分体积分数及二甲醚转化率的关系如图1，2所示，

①你认为反应控制的最佳温度应为C．
A．300～350℃B．350～400℃
C．400～450℃D．450～500℃
②在温度达到400℃以后，二甲醚与CO₂以几乎相同的变化趋势明显降低，而CO、H₂体积分数也以几乎相同的变化趋势升高，分析可能的原因是（用相应的化学方程式表示）可能发生另一种制氢反应为CH₃OCH₃+CO₂?3H₂+3CO．
（5）某一体积固定的密闭容器中进行反应②，200℃时达平衡；请在图4补充画出：t₁时刻升温，在t₁与t₂之间某时刻达到平衡；t₂时刻添加催化剂，CO₂的百分含量随时间变化图象．
（6）一定条件下，如图3示装置可实现有机物的电化学储氢（忽略其它有机物），则阴极的电极反应式为．

Answer 1

分析 （1）①CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）?2CH₃OH（l）△H=+24.5kJ/mol 
②CH₃OH（l）+H₂O（l）?CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49.01kJ/mol
由盖斯定律可知，①+②×2得：CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g），以此计算反应热并书写热化学方程式；
（2）平衡常数为生成物浓度的幂次方之积与反应物浓度的幂次方之积的比；
（3）当化学反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不再发生变化，根据密度和平均相对分子质量的公式进行分析解答该题；
（4）①由图可知在400-450℃时，二甲醚的浓度最小，转化率最大；
②温度超过400℃，二甲醚与二氧化碳相同的比例降低，CO与氢气相同的比例升高，说明二甲醚与二氧化碳以1：1反应，生成CO与氢气的比例相同，则反应的方程式为：CH₃OCH₃+CO₂?3H₂+3CO；
（5）t₁时升高温度，平衡向正反应方向移动，CO₂的百分含量增加，据此画图；
（6）由图可知，左侧苯转化为环己烷，则左侧为阴极，阴极上苯得到电子．

解答 解：（1）①CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）?2CH₃OH（l）△H=+24.5kJ/mol 
②CH₃OH（l）+H₂O（l）?CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49.01kJ/mol
由盖斯定律可知，①+②×2得：CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g）△H=+24.5kJ/mol+49.01kJ/mol×2=+122.52KJ/mol，则热化学方程式为CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g）△H=+122.52KJ/mol，
故答案为：CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g）△H=+122.52KJ/mol；
（2）③200℃时CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.17kJ/mol，平衡常数表达式K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$，故答案为：$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$；
（3）A．在恒容容器中，体积不变，由CH₃OH（l）?CO（g）+2H₂（g）反应可得反应前后气体质量在变，所以密度保持不变，证明达到了化学平衡状态，故A正确；
B．由于甲醇为液体，气体的组成一直不变，CO与氢气的物质的量之比一直是1：2，则平均相对分子质量一直不变，所以平均相对分子质量保持不变不能证明达到了化学平衡状态，故B错误；
C．由于甲醇为液体，气体的组成一直不变，CO与氢气的物质的量之比一直是1：2，所以CO的体积分数一直不变，所以CO的体积分数保持不变，不能证明达到了化学平衡状态，故C错误；
D．由于甲醇为液体，气体的组成一直不变，CO与氢气的物质的量之比一直是1：2，所以不能证明达到了化学平衡状态，故D错误．
故答案为：A；
（4）①由图可知在400-450℃时，二甲醚的浓度最小，转化率最大，故答案为：C；
②温度超过400℃，二甲醚与二氧化碳相同的比例降低，CO与氢气相同的比例升高，说明二甲醚与二氧化碳以1：1反应，生成CO与氢气的比例相同，则反应的方程式为：CH₃OCH₃+CO₂?3H₂+3CO，
故答案为：可能发生另一种制氢反应为CH₃OCH₃+CO₂?3H₂+3CO；
（5）t₁时升高温度，平衡向正反应方向移动，CO₂的百分含量增加，图象为，
故答案为：；
（6）由图可知，左侧苯转化为环己烷，则左侧为阴极，阴极上苯得到电子，则阴极反应式为，
故答案为：．

点评 本题考查较为综合，涉及盖斯定律的应用、化学平衡常数、平衡状态的判断、图表信息的提取与应用及电极反应等，综合性强，侧重分析与应用能力的综合考查，题目难度中等．